JPS6016385A - ロボツトの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は多関節型ロボットアーム（以下単に「ロボット
」とも称する）に係シ、特に冗長関節を有するロボット
アーム（以下単に［冗長型ロボット」とも称する）を指
定さオＬ７１Ｃ軌跡に沿って周囲の１章書物を回避しな
がら動作させるための制御方法に関する。

〔発明の背景〕

従来は多関節屋ロボットアームの位置決め方法として、
人間がアームの先端を目標軌跡に沿って移動させ、その
際の各関節の動作角度を記憶させておく、いわゆる「直
接教示方式」や、アーム先端位置を所定の空間座標系で
指示し、これをロボットの各関節角度に座標変換しこの
値に基づいて動作を制御する、いわゆる「間接教示方式
」が用いられていた。

しかしながら冗長関節を持つ多関節型ロボットアームの
制御に、「直接教示方式」を用いた場合、アーム先端位
置を目標軌跡上に固定しただけではロボットアーム全体
の姿勢が一つに定まらないため、アーム先端位置を支持
しながらかつロボットアーム全体の姿勢も所望の形状に
保持しなければならず、教示作業が極めて繁雑で困難な
ものになるという問題があった。

また「間接教示方式」に関しても、アーム先端位置を制
御する実用的な手法が提案されているものの、アーム全
体の姿勢を任意に制御できるものではないため、周囲の
障害物を回避しながらロボットを動作させる場合には適
用が困難でおった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、冗長関節を有する多関節型ロボットを
指定された軌跡に沿って周囲の障害物を回避しながら目
標位置に誘導するための各関節に対する操作量を自動的
に創成する実用的なロボットの制御方法を提供すること
にある。

〔発明の概要〕

本発明の提供する多関節型ロボットの制御方法は、ロボ
ットの先端を所定の空間座標系で指示された軌跡に沿っ
て移動させるための速度に対し、これを実現し得る冗長
関節を除いた他の関節の組合せにおける関節動作速度を
前記空間座標系からロボット固有の関節座標系に座標変
換してめ、これらの中から最も周囲の障害物に接近して
いるロボットの部分をそれ以上障害物へ接近させないも
のを選択し、これらを全体がほぼ１となるような比率で
比例合成した関節動作速度を操作量として各関節を制御
することにより、ロボットが障害物に衝突せずに所定の
軌跡に沿って動作させようとするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例に従って詳細Ｆ説明する。

第１図は、本実施例における冗長関節を持つ多関節型ロ
ボットの機構構造を概説したものである。

この冗長型ロボットはｘｙ平面内の位置決めを行うため
の３つの回転型関節Ｒ１、Ｒ１２＋　Ｒｓ　と、これら
を連接する３″：）の’）　７りＬｌ　＋　Ｌ２　ｔ　
Ｌａから構成されている。リンクＬｌの基部すなわち関
節Ｒ１は直交座標系−ｘｙの原点に位置している。また
リンクＬｌ　、Ｌ２　、Ｌａの長さはそれぞれ’１　＋
　７２　＋　ｔ３であり、各関節Ｒ１ｌ　Ｒ２１Ｒ３の
回転角度はそれぞれＸ軸からθ１、リンクＬ１からθ２
、リンクＬ２からθ３である。そして、この冗長型ロボ
ット１の周囲には障害物Ｂ１＋Ｂ２が設置されている。

ロボットの各関節及び先端位置ｘつは、ロボットの幾何
学的構造から、 β Ｘ、　−Ｆ、（ロ）　・・・・・・・・・（１）の と、各関節角度覆の関数として表わされる。

但し、 であＩＩ）、Ｔは転置行列を示す。

したがって、ロボットの先端位置Ｘ、（ｈ＝、ｉ）Ｘ　
ｈ　”’　Ｆ　ｈ　（’＃）　・・・・・・・・・（３
）と書ける。

（３）式を時間微分すると、先端の移動速度大、と関節
角速度ｄの間には、・ 文、＝Ｊ　ｈ　Ｊ’　・・・・・・・・・（４）なる関
係式が導かれる。

但し、Ｊｈはｘｈのθに関するヤコビアンであり、 である。

次に、ロボットの冗長関節を固定するための縮退化行列
Ｃ，を、 と定義すると、冗長関節Ｒｋを除いた他の関節の角度θ
ｋに関するヤコビアンＪｂｋとこの時の関節角速度θに
は、 Ｊｈｋ＝ＪｂＣｋ　（ｋ＝ｉ、２．３＞θに−ＣｋＴ枦
　（ｋ＝１．２．３）　・・印・・・・（刀と表わせる
。

これを（４）式に、用いると、 や Ｘｈ＝Ｊｈｈ町　（ｋ＝１．２．３）　・・・・・・・
・・（８）と書ける。

ここで、ヤコビアンＪｈｋは（６）式によって正方化と
書き直せる。

一方、ロボットの関節Ｒ，の障害物Ｂ＋がらの距離Ｐ＋
１は、 Ｐ＋１”’Ｇ＋ｊ　（′＃：）　（”＝１，２　ｉ　Ｊ
　＝１＋　２．”）・・・・・・・・・（１０） と、関節角度＃の関数として表わせる。ここで、距離Ｐ
ＩＪは障害物の位置と形状があらかじめ分かつている場
合には、各関節との幾何学的位置関係から計算すること
ができる。

ここでは、第２図に示すように障害物Ｂｌ　＋　Ｂ２の
外壁形状は次式で表わされる。すなわち、壁面ＷＩ　Ｗ
２は、 ｆｌ　（Ｘ＋　ｙ）＝ｙ−Ｃ＝＝Ｑ　・・・・・・（１
１）壁面Ｗ３Ｗ４は、 ｆｚ（ｘ、ｙ）＝ｘ＋ｙ−ａ−ｂ　−−−−・・（１２
）壁面Ｗ、ｗ６は、 ｆ　３（Ｘ、　）’　）　−−ｘ＋ｙ＋ａ　−ｂ　・・
・−（１３）と我わせる。

但し、障害物Ｂ２の角Ｗ４の位置を、 Ｗ４＝　（ａ　、　ｂ　）　−−（１４）とする。

したがって、ロボットの各関節Ｘ、の障害物Ｂｘ、Ｂｚ
への距離は次のように表わせる。

すなわち、障害物Ｂ１への距離ｐＨ１は、Ｐｌ−＝ｌ　
ｆｔ　（Ｘ−、）’−）　ｌ　・・・・・・・・・（１
５）障害物Ｂ２への距離Ｐ２ｎは、 ■　’２　（”ｎ　＋　ｙｈ）　（０カッｆ３　（Ｘ＋
＋　、　）’＋＋　）≧ｏの場合、 Ｂ２゜＝　ｌ　ｆｚ（Ｘ−、ｙ−）　１／Ｖ’Ｔ”　叫
・・（１６）■　ｔ２（ｘ、　ｌ　％　）＜０かっｆ３
　（Ｘｎ　ｒ　）’＋　）　（０）場合、 ・・・・・・・・・（１７） ■　’２　（ｘ、　ｌ　ｙｎ　）　＜ｏかッｒ３（ｘ、
、　Ｙｎ）＜Ｏ（７）場合、 Ｂ２−−ｌｈ（ｘ−、ｙ−）ｌ／Ｖ「”ｍ１（１８）と
表わせる。　′ 次に、（１０）式すなわち（１５）　、　（１６）　、
　（１７）及び・・・・・・・・・（１９） を導く。

但し、 の でＫｌ、はＰ目の才に関するヤコビアンである。

（９）式すなわち（１４）　、　（１５）　、　（１６
）及び（１７）式における最小距離を １’＋＋ｎ　＝’ｎ１ｎ（ｐＨ）　（１−１１２；　ｊ
＝１．２．　ａ）・・・・・・・・・（２０） とする。

すなわち、Ｐｍ１ｍ　は障害物に最も接近したロボット
の関節の、障害物からの距鴫全嚢ゎすとすると、と表わ
せる。

今、ロボットの先端Ｘｂを現在位置Ｐ、から目標位置Ｐ
、まで直線的に速さＶで移動させる場合、先端速度大；
は、 と指示する。

但し、 である。

したがって、この先端速度大ｔを実現する縮退化した関
節角速度膚、は、（９）式よシ’：に＝ＪζＪ演　（１
（＝＝ｌ、　２．３）・・・・・・・・・（２４） とめられる。

本発明の提供する障害物回避制御方式では、（２４）式
からめられる関節角速度屹の中で、障害物に最も接近し
ているロボットの関節をそれ以上障害物に接近させンヨ
いもの、すなわち（２１）式より 九Ｉｓ−に＋ｗ１ｍＣシｂ：に≦Ｏ・・・・・・川（２
５）を７ｆ４たすものを選び、これを全体がほぼｌとな
るような比率で比例合成した合成関節速度誦；Ｉｊ；＝
Σμｈｃｋｉ：、　・・・画・（２６）但し、 Σμに＝１　・・・・・・・・・（２７）ｋ。

を操作量として、ロボットの各関節を駆動するものであ
る。

すなわち、障害物からより離れている関節位置を優先的
に移動させ、障害物に最も接近している関節位置をそれ
以上障害物に接近しないようにしながら、先端位置を目
標軌跡に沿って動作させることになるため、障害物を回
避しながら目標位置にロボットを誘導することが可能と
なる。

（２６）及び（２７）式における合成比率μには一般的
には全て等しい値として演算することができるが、ロボ
ットの作業形態により先端に近い方のリンクを根本側の
リンクよシ大きく動作させたい場合、あるいは根本側の
リンクをより大きく動作させたい場合には、これらに応
じて合成比率μｋを定めることも可能である。

壕だ、本実施例においては障害物とロボットの接近の程
度を、ロボットの関節位置で判断しているが、ロボット
の他の部分の位置で判断してもよいことは明らかであろ
う。

第３図は、本発明の制御方法の一実施例を示したもので
ある。本図において、３０１は目標位置Ｐ１と指定速度
Ｖから（２２）式に基づいてロボット先端の移動速度穴
；を算出する指令速度発生器であり、３０２はこのロボ
ット先端の移動速度大；とロボットの各関節Ｒｓ　、　
Ｒ２、几３にそれぞれ装着されたエンコーダ３１４−１
．２．３によって検出されたロボットの関節角度θがら
（９）式に基づいて縮退化関節角速度−、計算用する座
標変換器である。また３０４は前記エンコーダ３１４−
１．２．３で検出されたロボットの関節角度ｎから（１
０）式、すなわち（１５）　、　（１６）　、　（１７
）及び（１８）式に基づいて障害物との最小距離Ｐ’ａ
１ｍ　を演算するとともに、この最小距離Ｐ　ｍ　Ｉ　
ｍに対する関節角度りのヤコビアンに１．を算出する最
小距離勾配演算器である。３０３は前記座標変換器３０
２から出力された縮退化関節速度ｂ；にと、前記最小距
離勾配演算器３０４から出力されたヤコビアンに山を用
いて、（２５）、　（２６）式に基づいて障害物回避関
節角速度６ｚを算出する障害物回避関節速度演算器であ
る。

本実施例においては、これら指令速度発生器３０１、座
標変換器３０２、障害物回避関節角速度演算器３０３、
及び最小距離勾配演算器３０４は、マイクロコンピュー
タ等の計算機を用いて、一定サンプリング周期Ｔで演算
処理を繰り返し行うことにより実現している。

一方、３１０はロボットの各関節を指令速度ｈ；に従っ
て、駆動する速度制御型サーボ機構である。このサーボ
機構３１０は、ロボットの各関節Ｒｔ　、　Ｒ２、Ｒａ
をそれぞれ回転させるサーボモータ３１２−１．２．３
と、とのモータの回転速度をそれぞれ検出するタコジェ
ネレータ３１３−１．２，３、及びモ〜り３１２−１．
２．３をそれぞれ駆動するサーボ増幅器３１１−１．２
゜３から構成されている。

本サーボ機構３１０により、障害物回避関節角速度転に
従って、ロボットは指令軌跡Ｘｂに沿って、障害物Ｂ１
及びＢＸを回避しながら、目標位置Ｐ！に移動制御され
ることになる。

第４図は本発明の障害物回避制御方法を適用した他の実
施例を示したものである。多関節型ロボットアーム４は
、ロボットの基部をなす１個の直動型関節Ｓ１と３個の
回転型関節Ｒ＋　、　ＰＬｔ　、Ｒｓ及びこれらを連接
するリンクＬ。、　Ｌｌ　！　Ｌｌ　＋Ｌ３から構成さ
れている。本発明の提供する障害物回避制御方法を本多
関節型ロボットアーム４に用いれば、本図のような屈曲
した障害物空間も、障害物Ｂｌ　、Ｂ２に衝突すること
なく、指定軌跡に沿って目標位置Ｐｔへ動作制御できる
ことは、前述の説明より明らかである。

まだ、本実施例においては、平面内での多関節型ロボッ
トの障害物回避制御方法について説明したが、一般の空
間内で動作を行う多関節型ロボットの障害物回避におい
ても、同様の考え方が成立することは明らかである。

〔発明の効果〕

本発明の提供する障害物回避制御方法によれば、冗長関
節を有する多関節型ローポットを指定された軌跡に沿っ
て周囲の障害物を回避しながら目標位置に、比較的簡単
な処理で自動的に誘導することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における多関節型ロボットの障
害物空間での機構構造を概説した図であシ、第２図はロ
ボットと障害物の距離を説明した図でちり、第３図は本
発明の障害物回避制御方法の一実施例を示したものであ
る。また第４図は本発明における実癩例の多関節型ロボ
ットの他の例を示したものでめるっ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 冗長な関節を有する多関節型ロボットの制御方法におい
   て、所定の空間座標系で指示された移動速度に対し、こ
   れを実現し得る、冗長関節を除いた他の関節の組合せに
   おける関節動作速度を前記望間座標系からロボット固有
   の関節座標系に座標変換することにより柁、これらの中
   から最も周囲の障害物に接近しているロボットの部分を
   それ以上障害物に接近させないものを選択し、これらを
   全体がほぼ１となるような比率で比例合成した関節動作
   速度を操作量として、ロボットを所定の軌跡に沿って動
   作させることを特徴としたロボットの制御方法